2022年经典-运动控制系统论文.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计目 录一、设计目的及意义 . 二、工作原理 . 2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理. 2.2 双闭环直流调速系统的静特性分析 . 2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图. 52.4 双闭环直流调速系统的数学模型 . 2.5 调剂器的具体设计 . 2.6 速度环的设计 . 2.7 双闭环直流调速系统仿真 . 10 三、方案设计与论证 . 主电路模块原理框图 . 四、系统硬件设计 . 4.1 主电路 . 4.2 掌握电路 . 4.3 反馈和爱护电路 . 五、心得体会 . 六、参 考 文 献. 1 名师归纳总结 - - - -

2、 - - -第 1 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计一、设计目的及意义本设计从直流电动机的工作原理入手,并具体分析了系统的原理及其静态和动态性能； 然后依据自动掌握原理, 对双闭环调速系统的设计参数进行分析和运算,利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真,通过仿真获得了参数整定的依据；转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好,应用最广的直流调速系统 , 采纳转速、 电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态 调速特性；转速、 电流双闭环直流调速系统的掌握规律,性能特点和 设计方法是各种交、 直流电力拖动自动掌握系统的重要基础；应把

3、握 转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；从起动和抗 扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调剂器的作用；应用工程设 计方法解决双闭环调速系统中两个调剂器的设计问题,等等；2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计二、工作原理2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理图 2.1 双闭环直流调速系统的原理图电动机在启动阶段, 电动机的实际转速 电压 低于给定值 , 速度调剂器的输入端存在一个偏差信号 , 经放大后输出的电压保持为限幅值, 速度调剂器工作在开环状态, 速度调剂器的输出电压作为电流给

4、定值送入电流调剂器 , 此时就以最大电流给定值使电流调剂器输出移信任号 , 直流电压快速上升 , 电流也立即增大直到等于最大给定值 , 电动机以最大电流恒流加速启动； 电动机的最大电流 堵转电流 可以通过整定速度调剂器的输出限幅值来转变；在电动机转速上升到给定转速后 , 速度调剂器输入端的偏差信号减小到近于零 , 速度调剂器和电流调剂器退出饱和状态, 闭环调剂开头起作用；对负载引起的转速波动, 速度调剂器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调剂器、电3 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计流调剂器来

5、修正触发器的移相电压, 使整流桥输出的直流电压相应变化, 从而校正和补偿电动机的转速偏差；另外电流调剂器的小时间常 数, 仍能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节, 可以在电动机转速仍将来得及发生转变时, 快速使电流复原到原来值, 从而使速度更好地稳固于某一转速下运行；2.2 双闭环直流调速系统的静特性分析分析静特性的关键是把握PI 调剂器的稳态特点,一般使存在两种状况：饱和输出到达限幅值, 不饱和输出未到达限幅值；当调剂器饱和时, 输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调剂器退出饱和,换句话说,饱和的 调剂器临时隔断了输入和输出的联系,相当于使该调剂环开

6、环；当调剂器不饱和时, PI 的作用使输入偏差电压 U在稳态时总为零；实际上,在正常运行时,电流调剂器是不会到达饱和状态的；因此,对于静特性来说,只有转速调剂器饱和与不饱和两种情形；1转速调剂器不饱和这时,两个调剂器都不饱和,稳态时,它们的输入偏差电压都是零,因此,UnUnnn02-1 UiUiId2-2 由第一个关系式可得：nUnn02-3 mUim；从而得到图 2.2 所示静特性曲线的 CA段；与此同时,由于 ASR不饱和,U i可知IdIdm,这就是说,CA段特性从抱负空载状态的dI =0 始终连续到IdId一般都是大于额定电流Idn的；这就是静特性的运行段,它是一条水平的特性；2转速调

7、剂器饱和这时, ASR输出到达限幅值Uim *,转速外环呈开环状态,转速的变化对系统不再产生影响； 双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调剂系统；稳态4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计时：IdUimIdmIdm2-4 其中,最大电流取决于电动机的容许过载才能和拖动系统答应的最大加速度,由上式可得静特性的AB段,它是一条垂直的特性；这样是下垂特性只适合于nn 的情形,由于假如nn0, 就UnUn,ASR将退出饱和状态；双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I dm *时表现为转速无静差 ,

8、 这时 , 转速负反馈起主要的调剂作用, 但负载电流到达I dm时, 对应于转速调剂器的饱和输出 Uim *, 这时 , 电流调剂器起主要调剂作用, 系统表现为电流无静差 , 得到过电流的自动爱护 . 这就是采纳了两个 PI 调剂器分别形成内、外两个闭环的成效；然而,实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大,略有很小的静差,见图 2.2 中虚线；因此,静特性的两段实际上都图 2.2 双闭环直流调速系统的静特性2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图第一要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2-6 所示,分析双闭环调速系统静特性的关键是把握 PI 调剂器的稳态特点；一般存在两种状况：饱和输出到达限

9、幅值；不饱和输出未到达限幅值；当调剂器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,相当与使该调剂环开环；当调剂器不饱和时,PI作用使输入偏差电压 U 在稳态时总是为零；5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计图 2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 实际上,在正常运行时,电流调剂器是不会到达饱和状态的；因此,对于静 特性来说,只有转速调剂器饱和与不饱和两种情形；2.4 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环掌握系统数学模型的主要形式仍旧是以传递函数或零极 点模型为基础的系统动态结构图； 双闭环直

10、流调速系统的动态结构电 流调剂器的传递函数； 为了引出电流反馈, 在电动机的动态结构框图 中必需把电枢电流 Id 显露出来；绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：图 2.4 双闭环直流调速系统的动态结构框图6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计2.5 调剂器的具体设计本设计为双闭环直流调速系统,整流装置采纳三相桥式全控整流电路基本数据如下：1 晶闸管装置放大系数 Ks=30; 2 电枢回路总电阻 R=0.18 ; 3 时间常数：电磁时间常数 T1=0.012s; 4 机电时间常数 Tm=0.

11、12s; 5 调剂器输入电阻 R0=20 ; 设计指标：1 静态指标：无静差；%2 动态指标：电流超调量%5%；空载起动到额定转速时的转速超调量15%；运算反馈关键参数：U*im15 10000.015Vrmin 3-1 nnU* im12.0026 VA 3-2 In.1 53051确定时间常数 整流装置滞后时间常数； Ts=0.0022s；电流滤波时间常数 : Toi=0.002 s三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms,为了基本滤平波头, 应有 Toi=3.33ms,因此取 Toi=2ms=0.002s；按小时间常数近似处理；TiT sT oi0.0042Ts 和 Toi一般都比 Tl

12、小得多 , 可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节 2挑选电流调剂器结构依据设计要求：i %5%,且, 所以把电流Tli0.0122 .8610T0 .0042可按典型型设计电流调剂器；电流环掌握对象是双惯性型的调剂器设计成 PI 型的 . 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计检查对电源电压的抗扰性能: Tli0. 012s3 .2410T0. 0037s3挑选电流调剂器的参数ACR超前时间常数iT i0 . 012 s；电流环开环时间增益 : Ki0 . 5.0 5135 1. s1 3-

13、3 Ti0 . 0037 sACR的比例系数 : KiKiiR135.10.0120. 180 .37 3-4 Ks300.0264校验近似条件 电流环截止频率 : ci =Ki=135.1S-1 1晶闸管装置传递函数近似条件：ci1 3-5 3 T s即1301s196.1135 .1 3-6 3 Ts. 0017满意近似条件；2 忽视反电动势对电流环影响的条件：ci31, 3-7 T mT l即313.0121 .0001279 . 06 s1ci 3-8 T mT l满意近似条件；3 小时间常数近似处理条件：ci11, 3-9 3T sT oi8 名师归纳总结 - - - - - - -

14、第 8 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计即1111161.69s13. %ci5 3-10 3T sT oi=30 . 00170. 0025电流环可以到达的动态指标为：%4%,也满意设计要求；2.6 速度环的设计1确定时间常数1电流环等效时间常数12 Ti20. 00370.0074s 3-11 0 . 00740 . 0140 . 0214 sK12转速滤波时间常数Ton=0.014s 2 TiT on3 转速环小时间常数近似处理Tn3-12 2 挑选转速调剂器结构 按跟随和抗扰性能都能较好的原就 , 在负载扰动点后已经有了一个积分环节

15、 , 为了实现转速无静差 , 仍必需在扰动作用点以前设置一个积分环节 , 因此需要 由设计要求,转速调剂器必需含有积分环节,故按典型型系统选用设计 PI 调剂器；典型型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三；3挑选调剂器的参数nhTn50 . 02140 . 107 s 3-13 转速开环增益：KN2hT1n2525012262.03s2 3-14 h22.0214ASR的比例系数：Knhh1Ce Tm260.0260. 20. 126. 48 3-15 2RTn50. 015.018.002144近似校验 转速截止频率为：9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 18 页精选学

16、习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计cnKNKNn262 .030. 107s128. 03s13-16 1电流环传递函数简化条件：1i5154 . 05 s1cn 3-17 5 T0 . 00375检验转速超调量当 h=5 时,n 37 . 6 % , 不能满意要求 . 按 ASR退饱和的情形运算超调量 : CC maxb % 81 2. %, n n IC d Re 3050 . 2 0 . 18274 . 5 rmin,满意设计要求；2.7 双闭环直流调速系统仿真双闭环直流调速系统的电流环仿真图如图 2.5 所示：图 2.5 双闭环调速系统的电流环仿真图仿真结

17、果如下：10 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计图 2.6 转速电流曲线图蓝线为电机转速曲线, 绿线为电机电流曲线； 加电流启动时电流环将电机速度提高, 并且保持为最大电流, 而此时速度环就不起作用, 使转速随时间线性变化,上升到饱和状态； 进入稳态运行后, 转速换起主要作用, 保持转速的稳固；三、方案设计与论证主电路模块原理框图图 3.1 双闭环直流调速系统电路图主电路模块的主要功能是通过PWM变换器得到可调的直流电压, 为直流电动机供电；检测模块包括转速、 电流和温度的检测, 转速和电流检

18、测为系统供应转速和电流负反馈的信号；温度检测的目的是为了爱护PWM变换器和电机；键盘、显示与报警模块 由单片机掌握 负责转速的给定和实时显示,以及故障的声光报警；通信模块负责 DSP与 PC之间的数据通信,实现系统的电脑监控；DSP系11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计统是整个系统的核心,它负责整个系统的治理和掌握；转速 电流双闭环直流自动调速系统图图4 为转速、电流双闭环直流自动调速系统；该系统有两个 PI 调剂器, 一个是用于转速调剂的转速调剂器 ST , 另一个是用于电流调节的电流调

19、剂器 LT , 两个调剂器串级连接 , 其输出均有限幅 , 输出 限幅值分别为 Usm 和Uim；由于调速系统的主要被调量是转速 , 故把转速负反馈组成的环作为外环 主环 , 以保证电动机的转速精确地跟随给定值 , 并抗击外来的干扰 ; 把由电流负反馈组成的环作为内环 副环 , 以保证动态电流为最大值并保持不变, 使电动机快速地起动、制动 , 同时仍能起限流作用 , 并可以对电网电压波动起准时抗扰作用；电动机转速由给定电压 Ug 来确定 , 转速调剂器 ST 的输入 M偏差电压为Uis=Ug- Ufn, 转速调剂器 ST 的输出电压 Us 作为电流调剂器 LT 的给定信号 ST 输出电压的限幅

20、值 Usm 打算了 LT 给定信号的最大值 ; 电流调剂器 LT 的输入偏差电压为 Uic=- Us+Ufi, 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计电流调剂器 LT 的输出电压 Uc 作为触发电路的掌握电压 LT 输出电压的限幅值 Uim 打算了晶闸管整流电压的最大值 Udm ; Uc 掌握着触发推迟角 , 使电动机在期望转速下运转；13 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计四、系统硬件设计

21、4.1 主电路电动机的电源掌握电路采纳桥式整流电路对三相电源进行整流,整流后通过IGBT 对电机的电压进行掌握,利用电流互感器对主电路电流进行电流反馈和过电流爱护； 为了使电路中的电流变得更加平缓,故在主电路当中加入了平波电抗器,变流器在最小输出电流 Idmin时仍能维护电留恋续时电抗器电感量 L 按下式计算；在三相整流桥当中 K 取 1.12 ,就 L=200mH；电机的主电路如图 4.1 所示图 4.1 主电路电路图4.2 掌握电路图 4.2 转速调剂器 PI 环节电路按所用运算放大器取R0=40k ,各电阻和电容值运算如下：R iKR01.0134040.52k 4.1 14 名师归纳总

22、结 - - - - - - -第 14 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计Ciii0.031080 .75F4.2 R i401000Coi4 T 00 2.F4.3 R 0依据上述参数,电流环可以到达的动态指标为 要求；4.3 反馈和爱护电路 i%=4.5%5%,能满意设计电流反馈与过流爱护电路的主要功能是检测主电源输出的电流超过某一设 定值时发出过流信号切断掌握屁输出主电源；电流反馈与过流爱护电路的设计思想是利用电流互感器从电机主电路中获取主电路中电流的参数并反馈到电流调剂电路当中,爱护的作用；电流反馈与过流爱护电路如下列图使电路拥有电流

23、反馈和过流图 4.4 电流反馈与过流爱护电路RP7的滑动抽头端输出作为电流反馈信号,从If 端输出到电流调剂器,反馈系数从RP7中进行调剂；而过流淌作电流的大小设定由RP8 的滑动触头位置打算；该电路当中设有过流复位电流, 当系统过流后能手动进行复位或让系统通过一段时间后自动复位,当系统过流后能启动报警装置,进行报警系统调试；对双闭环可逆 PWM直流调速系统进行试验验证； 从键盘给系统输入给定的转速值 , 通过系统调剂和掌握, 对电机实际转速进行测量, 将实际测得的转速显示在 LED显示器上；稳态时 , 比较给定值和实测值 , 结果如表 5-1 所示；15 名师归纳总结 - - - - - -

24、 -第 15 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计表 5-1 试验结果表设定值转200 500 1000 15000 2000 2500 3000 3500 /分测量值182 487 993 1506 1996 2498 3002 3499 转 /分利用 MATLAB软件得仿真结果如图 5.1 所示图 5.1 双闭环可逆直流脉宽调速系统仿真结果16 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计五、心得体会在这次课程设计个过程中,我们通过对转速、电流双闭环

25、直流 调速系统的明白, 使我们能够更好的把握调速系统的基本理论及相关 内容,在对其各种性能加深明白的同时,能够发觉其缺陷之处,通过 对该系统不足之处的完善, 可提高该系统的性能, 使其能够适用于各 种工作场合,提高其使用效率；17 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 运动掌握系统课程设计六、参 考 文 献1 尔桂花 窦曰轩 编著 . 运动掌握系统 . 清华高校出版社, 2002 2 刘锦波 张承慧 编著. 电机与拖动 . 清华高校出版社, 2006 3 陈伯时,陈敏逊 . 沟通调速系统 . 机械工业出版社, 1997 4 胡崇岳 . 现代沟通调速技术 . 机械工业出版社, 2001 5 胡寿松 . 自动掌握原理 . 科学出版社, 2022. 6 周渊深 . 交直流调速系统与MATLAB仿真 . 北京：中国电力出版社, 2004. 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 18 页